ISO/TS 10867:2019

TECHNICAL ISO/TS
SPECIFICATION 10867
Second edition
2019-12
Nanotechnologies — Characterization
of single-wall carbon nanotubes using
near infrared photoluminescence
spectroscopy
Nanotechnologies — Caractérisation de nanotubes de carbone
monofeuillet en utilisant la spectroscopie de photoluminescence dans
le proche infra-rouge
Reference number
©
ISO 2019
© ISO 2019
All rights reserved. Unless otherwise specified, or required in the context of its implementation, no part of this publication may
be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting
on the internet or an intranet, without prior written permission. Permission can be requested from either ISO at the address
below or ISO’s member body in the country of the requester.
ISO copyright office
CP 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Geneva
Phone: +41 22 749 01 11
Fax: +41 22 749 09 47
Email: copyright@iso.org
Website: www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2019 – All rights reserved

Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Principles of band gap photoluminescence of SWCNTs . 2
4.1 Structure of SWCNTs . 2
4.2 Band structure and PL peaks . 3
4.3 Exciton effects . 4
5 NIR-PL apparatus . 5
5.1 NIR-PL spectrometer . 5
5.2 Light source . 5
6 Sample preparation methods . 6
6.1 Preparation of dispersion for measurement . 6
6.2 Preparation of solid film dispersion for measurement . 6
7 Measurement procedures . 7
8 Data analysis and results interpretation . 7
8.1 Empirical rules for structural assignment . 7
8.2 Determination of the chiral indices of the semi-conducting SWCNTs in a sample . 8
9 Uncertainties . 9
10 Test report . 9
Annex A (informative) Case studies .10
Bibliography .16
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and
expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO’s adherence to the
World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see www .iso .org/
iso/ foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 229, Nanotechnologies.
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO/TS 10867:2010), which has been
technically revised.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/ members .html.
iv © ISO 2019 – All rights reserved

Introduction
The discovery of the band-gap photoluminescence (PL) of single-wall carbon nanotubes (SWCNTs)
has provided a useful method to characterize their unique electronic properties induced by their low-
dimensionality. This method is described in this document.
TECHNICAL SPECIFICATION ISO/TS 10867:2019(E)
Nanotechnologies — Characterization of single-wall
carbon nanotubes using near infrared photoluminescence
spectroscopy
1 Scope
This document gives guidelines for the characterization of single-wall carbon nanotubes (SWCNTs)
using near infrared (NIR) photoluminescence (PL) spectroscopy.
It provides a measurement method for the determination of the chiral indices of the semi-conducting
SWCNTs in a sample and their relative integrated PL intensities.
The method can be expanded to estimate the relative mass concentrations of semi-conducting SWCNTs
in a sample from their measured integrated PL intensities and knowledge of their PL cross-sections.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO/TS 80004-4, Nanotechnologies — Vocabulary — Part 4: Nanostructured materials
ISO/TS 80004-6, Nanotechnologies — Vocabulary — Part 6: Nano-object characterization
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO/TS 80004-4, ISO/TS 80004-6
and the following apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
3.1
chirality
vector notation used to describe the structure of a single-wall carbon nanotube (SWCNT)
3.2
chiral indices
two integers that define the chiral vector of a single-wall carbon nanotube (SWCNT)
3.3
relative mass concentration
mass concentration of a nanotube species relative to that of the most common nanotube species
4 Principles of band gap photoluminescence of SWCNTs
4.1 Structure of SWCNTs
A SWCNT consists of a single cylindrical graphene layer. The specific geometry of SWCNTs is defined
in terms of a chiral vector containing a length (the tube’s circumference) and a chiral angle α (ranging
from 0° to 30°). Alternatively, the structure of SWCNTs is defined by the chiral indices (n, m). Figure 1
shows the indexed graphene sheet with chiral vector for designating the nanotube structure, and how
[1]
the vector starting at point (0,0) to (n, m) determines the nanotube designation . The chiral angle is
measured between the zigzag structure (α = 0°) and the chiral vector. When the chiral angle is between
0° and 30°, a chiral structure arises. The SWCNT that has the maximum chiral angle, 30°, is called the
armchair SWCNT.
Key
A zigzag structure
B armchair structure
C chiral vector
NOTE The chiral angle α and chiral vector are shown. The grey indices are for nanotubes that are not
photoluminescent.
Figure 1 — Indexed graphene sheet with chiral vector for designating nanotube structure
The length of the chiral vector is the circumference of the tube, or π × the tube diameter d . The tube
t
diameter d is given in terms of (n, m) as shown by Formula (1):
t
3am ++mn n
CC−
dL==/π (1)
t
π
where
2 © ISO 2019 – All rights reserved

d is the diameter of the SWCNT;
t
L is the length of the chiral vector;
a is the nearest-neighbour distance (0,144 nm) between pairs of carbon atoms;
C–C
m is one of the chiral indices;
n is the other chiral index.
The chiral angle α in terms of (n, m) is defined as shown by Formula (2):
−1
 
α =+tan/32mn()m (2)
 
where
α is the chiral angle;
m is one of the chiral indices;
n is the other chiral index.
4.2 Band structure and PL peaks
Quasi-one-dimensional SWCNTs have an electronic density of states roughly as shown in Figure 2, with
sharp van Hove peaks such as v and v (in the valence band) and c and c (in the conduction band).
1 2 1 2
Key
1 conduction band 3 non-radiative relaxation of hole
2 non-radiative relaxation of electron 4 valence band
[2]
Figure 2 — Qualitative description of the electronic density of states for SWCNTs
Just as the positions of the van Hove peaks depend on the structure (and chiral vector) of the particular
SWCNTs, so will the absorption energy E and fluorescent emission energy E . Therefore, the positions
22 11
of the spectral peaks corresponding to E and E are characteristic of the structure of each SWCNT
22 11
and can be used as a measurement method to determine the component SWCNTs of an unknown
mixture. Formula (3) relates peak wavelength to transition energy:
Eh==ch/λνc (3)
where
E is energy of the transition;
c is the speed of light;
h is Planck’s constant;
–1
ν
is the peak position, expressed in wavenumber units (cm );
λ is the wavelength of the photon absorbed or emitted.
Those structures where the difference (n – m) is divisible by three [e.g. (3,0), (4,1) or (6,3)], and those
structures where n = m, do not fluoresce because SWCNTs with (n – m) = a multiple of three are quasi-
metals, with a band gap in the meV range, and those with n = m are metals (no band gap). The remaining
−19
structures are semi-conductors with a band gap of about 0,5 eV to 1 eV [1 eV = 1,602 176 53 (14) × 10 J]
and can fluoresce under specific sample preparation conditions.
NOTE As-prepared SWCNT samples contain left- and right-handed helical structures. The intrinsic peak
positions of the PL signals are basically the same for these enantiomers although they can be affected differently
by absorbates. Also, their cross-sections with respect to polarized light can differ.
4.3 Exciton effects
Electron-hole pair excitations giving rise to PL are better described in terms of excitons. Excitons
are the result of Coulomb interaction, which for SWCNTs is very important and significantly affects
the energy spectrum (e.g. with phonon sidebands and excitonic manifolds of excited states) and the
strength of optical transitions. The exciton binding energy was estimated to be
...

SPÉCIFICATION ISO/TS
TECHNIQUE 10867
Deuxième édition
2019-12
Nanotechnologies — Caractérisation
de nanotubes de carbone monofeuillet
en utilisant la spectroscopie de
photoluminescence dans le proche
infrarouge
Nanotechnologies — Characterization of single-wall carbon
nanotubes using near infrared photoluminescence spectroscopy
Numéro de référence
©
ISO 2019
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2019
Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: +41 22 749 01 11
Fax: +41 22 749 09 47
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2019 – Tous droits réservés

Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Principes de la photoluminescence dans les SWCNT . 2
4.1 Structure des SWCNT . 2
4.2 Structure de bande et pics de PL . 3
4.3 Effets des excitons . 5
5 Appareillage NIR-PL . 5
5.1 Spectromètre NIR-PL . 5
5.2 Source lumineuse. 6
6 Méthodes de préparation des échantillons . 6
6.1 Préparation pour la mesure d’une dispersion . 6
6.2 Préparation pour la mesure d’un film solide à partir d’une dispersion de SWCNT . 7
7 Modes opératoires de mesure . 7
8 Analyse des données et interprétation des résultats . 8
8.1 Règles empiriques pour la détermination de la structure . 8
8.2 Détermination des indices chiraux des SWCNT semi-conducteurs présents dans
un échantillon . 8
9 Incertitudes. 9
10 Rapport d’essai .10
Annexe A (informative) Études de cas .11
Bibliographie .18
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso. org/d irectives).
L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www. iso. org/br evets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www. iso. org/avant -propos .
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 229, Nanotechnologies.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO/TS 10867:2010) qui a fait l’objet
d’une révision technique.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www. iso. org/f r/m embers. html.
iv © ISO 2019 – Tous droits réservés

Introduction
La découverte d’une bande de photoluminescence (PL) dans les nanotubes de carbone monofeuillet
(désignés dans la suite de ce document par l’acronyme SWCNT pour «Single-Walled Carbon Nanotubes»)
a fourni une méthode utile pour caractériser leurs propriétés électroniques uniques induites par leur
basse dimensionnalité. Cette méthode est décrite dans le présent document.
SPÉCIFICATION TECHNIQUE ISO/TS 10867:2019(F)
Nanotechnologies — Caractérisation de nanotubes de
carbone monofeuillet en utilisant la spectroscopie de
photoluminescence dans le proche infrarouge
1 Domaine d’application
Le présent document fournit des lignes directrices pour la caractérisation des nanotubes de carbone
monofeuillet (SWCNT) en utilisant la spectroscopie de photoluminescence (PL) dans le proche
infrarouge (NIR).
Il fournit une méthode pour la détermination des indices chiraux des SWCNT semi-conducteurs
présents dans un échantillon et la mesure des intensités intégrées relatives des pics de PL.
La méthode peut être étendue pour estimer les concentrations massiques relatives des SWCNT semi-
conducteurs présents dans un échantillon à partir des valeurs mesurées des intensités intégrées des
pics de PL et de la connaissance de leur section efficace de PL.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique.
Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les
éventuels amendements).
ISO/TS 80004-4, Nanotechnologies — Vocabulaire — Partie 4: Matériaux nanostructurés
ISO/TS 80004-6, Nanotechnologies — Vocabulaire — Partie 6: Caractérisation des nano-objets
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et les définitions de l’ISO/TS 80004-4 et
l’ISO/TS 80004-6 ainsi que les suivants s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/
3.1
chiralité
notation vectorielle utilisée pour décrire la structure d’un nanotube de carbone monofeuillet (SWCNT)
3.2
indices chiraux
deux nombres entiers qui définissent le vecteur chiral d’un nanotube de carbone monofeuillet (SWCNT)
3.3
concentration massique relative
concentration massique d’un type de nanotube relativement à celle du nanotube le plus présent
4 Principes de la photoluminescence dans les SWCNT
4.1 Structure des SWCNT
Un SWCNT est constitué d’une seule couche de graphène cylindrique. La géométrie spécifique d’un
SWCNT est déterminée par son vecteur chiral défini par son module (la circonférence du tube) et son
angle chiral α (compris entre 0° et 30°). Alternativement, la structure d’un SWCNT est définie par
les indices chiraux (n, m). La Figure 1 montre l’indexation de la structure (n, m) des nanotubes via le
vecteur chiral défini dans la feuille de graphène; elle illustre comment le vecteur partant du point (0,0)
[1]
au point (n, m) détermine complètement l’indexation du nanotube. L’angle chiral est l’angle mesuré
entre la structure zigzag (α = 0°) et le vecteur chiral. Lorsque l’angle chiral est compris entre 0° et 30°,
le nanotube est dit chiral. Le SWCNT ayant l’angle chiral maximal, à savoir 30°, est appelé nanotube
«fauteuil» (armchair).
Légende
A structure en zigzag
B structure en «fauteuil» (armchair)
C vecteur chiral
NOTE L’angle chiral α et le vecteur chiral sont représentés. Les indices en gris concernent les nanotubes qui
ne sont pas photoluminescents.
Figure 1 — Feuille de graphène montrant l’indexation des nanotubes et le vecteur chiral
définissant la structure d’un nanotube
2 © ISO 2019 – Tous droits réservés

La longueur du vecteur chiral est la circonférence du tube, soit π × le diamètre du tube (d ). Le diamètre
t
du tube d est donné en termes de (n, m) par la Formule (1):
t
3am ++mn n
CC−
dL==/π (1)
t
π
où
d est le diamètre du SWCNT;
t
L est la longueur du vecteur chiral;
a est la distance de plus proche voisin (0,144 nm) entre les paires d’atomes de carbone;
C–C
m est l’un des indices chiraux;
n est l’autre indice chiral.
L’angle chiral α en termes de (n, m) est défini par la Formule (2):
−1
 
α =+tan/32mn()m (2)
 
où
α est l’angle chiral;
m est l’un des indices chiraux;
n est l’autre indice chiral.
4.2 Structure de bande et pics de PL
Les SWCNT, de structure quasi-unidimensionnelle, ont une densité d’états électroniques proche
en première approximation de celle montrée à la Figure 2, présentant des singularités de van Hove
abruptes telles que v et v (dans la bande de valence) et c et c (dans la bande de conduction).
1 2 1 2
Légende
1 bande de conduction 3 relaxation non radiative de trou
2 relaxation non radiative d’électron 4 bande de valence
[2]
Figure 2 — Description qualitative de la densité d’états électroniques pour un SWCNT
Comme les positions des singularités de van Hove dépendent de la structure (et donc du vecteur chiral)
de chaque SWCNT, l’énergie d’absorption E et l’énergie d’émission de fluorescence E en dépendront
22 11
également. Par conséquent, les positions des réponses spectrales correspondant à E et E sont
22 11
caractéristiques de la structure de chaque SWCNT et peuvent être utilisées comme méthode de mesure
pour déterminer la composition en SWCNT d’un mélange inconnu. La Formule (3) relie la longueur
d’onde du photon, émis ou absorbé, à l’énergie de la transition:
Eh==ch/λνc (3)
où
E est l’énergie de la transition;
...

SPÉCIFICATION ISO/TS
TECHNIQUE 10867
Deuxième édition
2019-12
Nanotechnologies — Caractérisation
de nanotubes de carbone monofeuillet
en utilisant la spectroscopie de
photoluminescence dans le proche
infrarouge
Nanotechnologies — Characterization of single-wall carbon
nanotubes using near infrared photoluminescence spectroscopy
Numéro de référence
©
ISO 2019
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2019
Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette
publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: +41 22 749 01 11
Fax: +41 22 749 09 47
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2019 – Tous droits réservés

Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Principes de la photoluminescence dans les SWCNT . 2
4.1 Structure des SWCNT . 2
4.2 Structure de bande et pics de PL . 3
4.3 Effets des excitons . 5
5 Appareillage NIR-PL . 5
5.1 Spectromètre NIR-PL . 5
5.2 Source lumineuse. 6
6 Méthodes de préparation des échantillons . 6
6.1 Préparation pour la mesure d’une dispersion . 6
6.2 Préparation pour la mesure d’un film solide à partir d’une dispersion de SWCNT . 7
7 Modes opératoires de mesure . 7
8 Analyse des données et interprétation des résultats . 8
8.1 Règles empiriques pour la détermination de la structure . 8
8.2 Détermination des indices chiraux des SWCNT semi-conducteurs présents dans
un échantillon . 8
9 Incertitudes. 9
10 Rapport d’essai .10
Annexe A (informative) Études de cas .11
Bibliographie .18
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso. org/d irectives).
L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www. iso. org/br evets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion
de l’ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles
techniques au commerce (OTC), voir www. iso. org/avant -propos .
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 229, Nanotechnologies.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO/TS 10867:2010) qui a fait l’objet
d’une révision technique.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes
se trouve à l’adresse www. iso. org/f r/m embers. html.
iv © ISO 2019 – Tous droits réservés

Introduction
La découverte d’une bande de photoluminescence (PL) dans les nanotubes de carbone monofeuillet
(désignés dans la suite de ce document par l’acronyme SWCNT pour «Single-Walled Carbon Nanotubes»)
a fourni une méthode utile pour caractériser leurs propriétés électroniques uniques induites par leur
basse dimensionnalité. Cette méthode est décrite dans le présent document.
SPÉCIFICATION TECHNIQUE ISO/TS 10867:2019(F)
Nanotechnologies — Caractérisation de nanotubes de
carbone monofeuillet en utilisant la spectroscopie de
photoluminescence dans le proche infrarouge
1 Domaine d’application
Le présent document fournit des lignes directrices pour la caractérisation des nanotubes de carbone
monofeuillet (SWCNT) en utilisant la spectroscopie de photoluminescence (PL) dans le proche
infrarouge (NIR).
Il fournit une méthode pour la détermination des indices chiraux des SWCNT semi-conducteurs
présents dans un échantillon et la mesure des intensités intégrées relatives des pics de PL.
La méthode peut être étendue pour estimer les concentrations massiques relatives des SWCNT semi-
conducteurs présents dans un échantillon à partir des valeurs mesurées des intensités intégrées des
pics de PL et de la connaissance de leur section efficace de PL.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique.
Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les
éventuels amendements).
ISO/TS 80004-4, Nanotechnologies — Vocabulaire — Partie 4: Matériaux nanostructurés
ISO/TS 80004-6, Nanotechnologies — Vocabulaire — Partie 6: Caractérisation des nano-objets
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et les définitions de l’ISO/TS 80004-4 et
l’ISO/TS 80004-6 ainsi que les suivants s’appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/
3.1
chiralité
notation vectorielle utilisée pour décrire la structure d’un nanotube de carbone monofeuillet (SWCNT)
3.2
indices chiraux
deux nombres entiers qui définissent le vecteur chiral d’un nanotube de carbone monofeuillet (SWCNT)
3.3
concentration massique relative
concentration massique d’un type de nanotube relativement à celle du nanotube le plus présent
4 Principes de la photoluminescence dans les SWCNT
4.1 Structure des SWCNT
Un SWCNT est constitué d’une seule couche de graphène cylindrique. La géométrie spécifique d’un
SWCNT est déterminée par son vecteur chiral défini par son module (la circonférence du tube) et son
angle chiral α (compris entre 0° et 30°). Alternativement, la structure d’un SWCNT est définie par
les indices chiraux (n, m). La Figure 1 montre l’indexation de la structure (n, m) des nanotubes via le
vecteur chiral défini dans la feuille de graphène; elle illustre comment le vecteur partant du point (0,0)
[1]
au point (n, m) détermine complètement l’indexation du nanotube. L’angle chiral est l’angle mesuré
entre la structure zigzag (α = 0°) et le vecteur chiral. Lorsque l’angle chiral est compris entre 0° et 30°,
le nanotube est dit chiral. Le SWCNT ayant l’angle chiral maximal, à savoir 30°, est appelé nanotube
«fauteuil» (armchair).
Légende
A structure en zigzag
B structure en «fauteuil» (armchair)
C vecteur chiral
NOTE L’angle chiral α et le vecteur chiral sont représentés. Les indices en gris concernent les nanotubes qui
ne sont pas photoluminescents.
Figure 1 — Feuille de graphène montrant l’indexation des nanotubes et le vecteur chiral
définissant la structure d’un nanotube
2 © ISO 2019 – Tous droits réservés

La longueur du vecteur chiral est la circonférence du tube, soit π × le diamètre du tube (d ). Le diamètre
t
du tube d est donné en termes de (n, m) par la Formule (1):
t
3am ++mn n
CC−
dL==/π (1)
t
π
où
d est le diamètre du SWCNT;
t
L est la longueur du vecteur chiral;
a est la distance de plus proche voisin (0,144 nm) entre les paires d’atomes de carbone;
C–C
m est l’un des indices chiraux;
n est l’autre indice chiral.
L’angle chiral α en termes de (n, m) est défini par la Formule (2):
−1
 
α =+tan/32mn()m (2)
 
où
α est l’angle chiral;
m est l’un des indices chiraux;
n est l’autre indice chiral.
4.2 Structure de bande et pics de PL
Les SWCNT, de structure quasi-unidimensionnelle, ont une densité d’états électroniques proche
en première approximation de celle montrée à la Figure 2, présentant des singularités de van Hove
abruptes telles que v et v (dans la bande de valence) et c et c (dans la bande de conduction).
1 2 1 2
Légende
1 bande de conduction 3 relaxation non radiative de trou
2 relaxation non radiative d’électron 4 bande de valence
[2]
Figure 2 — Description qualitative de la densité d’états électroniques pour un SWCNT
Comme les positions des singularités de van Hove dépendent de la structure (et donc du vecteur chiral)
de chaque SWCNT, l’énergie d’absorption E et l’énergie d’émission de fluorescence E en dépendront
22 11
également. Par conséquent, les positions des réponses spectrales correspondant à E et E sont
22 11
caractéristiques de la structure de chaque SWCNT et peuvent être utilisées comme méthode de mesure
pour déterminer la composition en SWCNT d’un mélange inconnu. La Formule (3) relie la longueur
d’onde du photon, émis ou absorbé, à l’énergie de la transition:
Eh==ch/λνc (3)
où
E est l’énergie de la transition;
...